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生命之谜:生命从一开始就不简单

 大科技杂志社 2022-11-07 发表于海南

  如何解释地球生命的起源?也许,最初被认为最不可能的,恰恰是最可能的。

  当地球在45亿年前形成时,它是一颗荒芜不毛的岩石质星球,经常被小行星撞击,到处都是喷发的火山。在此后的10亿年里,它变成了适宜微生物居住的处所。今天,从最高的山脉到最深的海洋,生命的足迹遍及每一角落。

  然而,太阳系中其他行星似乎都没有显示出存在生命的迹象。那么在我们的星球年轻的时候,到底发生了什么?最早的生命是如何从它那贫瘠的岩石、沙子中涌现的?

  对于地球上生命的起源,人们提出了许多解释。大多数想法都基于这样一个假设:细胞太复杂,不可能一次性形成,最初的生命必定是以某个部件为核心,然后以某种方式创造了其他部件。然而,按照这种思路,科学家在实验室里百般尝试,也未能制造出任何类似生命的东西。一些人开始意识到这种想法不可靠,这就好比试图通过制造底盘来制造汽车,并希望车轮和发动机能够自发地出现。

  在四处碰壁的情况下,一些科学家提出,当初认为最不可能的事情——生命以完整的形式出现——恰恰是最有可能的。

  构成生命的三个核心部件

  了解生命的起源,困难在于我们不知道首个生命是什么样子的。目前公认的最古老的生物化石,有着35亿年的历史,但对于我们并没有多大助益。它们被发现于澳大利亚西部被称为“叠层石”的古老岩层。与现代细菌一样,它们是单细胞微生物。但从进化上来看,任何单细胞生物都已经相对复杂:即使是最简单的现代细菌也有100多个基因。第一批生物一定比单细胞生物更为简单。但它们又不会是病毒。因为虽然病毒拥有的基因更少,但它们只能靠寄生生活,离开宿主就坐以待毙,所以病毒不可能最早出现。

  在缺乏实物证据的情况下,研究生命起源的科学家首先提出两个问题:支撑生命的基本过程是什么?这些过程中使用了哪些化学物质?

  下面就是他们的回答。

  生命可以归结为三个核心系统。第一,它有着完整的结构,每一个细胞都有一层外膜将其包裹起来。第二,生命需要新陈代谢,涉及一系列从周围环境中获取能量的化学反应。第三,生命需要利用基因进行繁殖,基因中含有构建细胞的指令,并能将其传递给后代。

  生物化学家也知道支撑这些过程的化学物质是什么。细胞膜是由脂质分子构成的。新陈代谢是由蛋白质(尤其是酶)推动的,它们有助于催化化学反应。基因则被编码在一种叫做核酸的分子中,比如脱氧核糖核酸——它更为人知的名字是DNA。细胞膜、蛋白质和基因,构成了生命的核心部件,缺一不可。

  除此之外,事情就变复杂了。生命的三个核心过程是相互交织的。基因携带着制造蛋白质的指令,这意味着有了基因,才能有蛋白质。但是蛋白质对于维持和复制基因是必不可少的,这里的关系似乎又反了过来,要先有蛋白质才能有基因。而对于制造构成细胞膜的脂质,蛋白质又至关重要,所以要先有蛋白质,后才有脂质。任何解释生命起源的假说都必须考虑到上述几点。

 然而,如果我们假设基因、蛋白质和细胞膜不可能同时出现,那就意味着必定其中一个先出现,然后才“创造”出了另两个。

  谁是生命的No.1?

  谁是生命的第一号呢?一个早期的看法是蛋白质。1950年代,生物化学家发现,加热氨基酸可以使它们连接成链,形成蛋白。但因为它们不是通常意义上由遗传密码指导下合成的蛋白,而是随机组装的氨基酸序列,所以被称为“类蛋白”。此后,又发现类蛋白可以形成类似细胞的球体,并能催化某些化学反应。然而,类蛋白没能走得更远,它既不能制造基因,也不能制造脂质。现在,认为蛋白质单靠自己就能启动生命的观点已被大多数人放弃。

  后来,很多研究又集中在一个叫做“RNA世界”的假说上。和DNA一样,RNA(核糖核酸)携带基因。某些RNA甚至还能催化化学反应,这暗示第一批既能自我复制,又能像酶一样行催化功能的RNA分子,可能启动了生命。然而,生物化学家花了几十年的时间,在实验室里让RNA自我组装或自我复制,都没有成功。现在他们承认,单靠RNA自身启动生命,似乎也办不到。

  那么,或许膜是生命的No.1?美国加州大学的戴维·迪默最初持这种想法。1970年代,他的研究小组发现,当两种简单的化学物质氰胺和甘油与水混合并加热到65℃时,可以制造出细胞膜中的脂质。如果这些脂质随后被添加到盐水中并摇晃,就会形成像细胞一样的小球,外围有两层脂质(细胞膜上的脂质也分两层)。膜有了,但基因和蛋白呢?从脂类可产生不了基因或蛋白。所以,现在迪默也承认,光有膜也启动不了生命。

  生命起源的“一起出现”假说

  于是,迪默和其他人开始探索另一种方案,即构成生命的三个核心部件——当然是远比现在简单、原始的形式——是同一个时期出现的。此即“一起出现”假说。

  这不是什么新主意。1971年,一位匈牙利生物化学家写了一本书,他在书中设想了一种被他称为“化学子”的最简单的生命形式。“化学子”能通过酶进行简单的代谢,同时又有基因和膜。当基因自我复制时,导致“化学子”膨胀,最终分裂,类似细胞的生长和分裂。然而,直到21世纪初,当其他人独立地找到了类似“化学子”的东西时,这个想法才得到承认。现在,支持“一起出现”假说的证据越来越有力了。

  第一个证据来自生物化学。人们越来越认识到,生命的三个核心部件,核酸在化学组成上与蛋白质有很大的不同,蛋白质又不同于脂类。所以它们不太可能一个制造出另外一个来。

  第二条证据来自陨石,许多陨石和地球一样古老,因此能告诉我们地球在年轻时是什么样的。被研究最多的是1969年撞击澳大利亚的墨奇森陨石。迪默在其中发现了可以形成膜的类脂分子。稍后,其他人又发现了氨基酸和组成RNA的基本单元——核苷酸。虽然这些化学物质在陨石中都不丰富,但它们的存在表明,它们是可以在同一个时期各自形成的。

  那么,这种事情在地球上是如何发生的呢?一个研究小组发现,如果甲酰胺在石灰岩等矿物的存在下加热到160℃,就可以制造出RNA的组件核苷酸。甲酰胺是一种简单的化学物质,它遍布宇宙,在新形成的行星上很常见。研究人员后来发现,在一种叫“蒙脱土”的普通粘土帮助下,不必加热,这一过程也能实现。甲酰胺也能产生氨基酸,而氨基酸是蛋白质的基本单元。

  实现这一壮举的并非只有甲酰胺。一种叫氰胺的有机物与其他简单的化学物质相混合,也能制造出核苷酸。反应需要紫外线,加热干燥,然后用水润湿。氰胺还可以制造氨基酸和脂类的“初级版”。

  所以,生命的三大部件几乎都可以从同样的原料中通过化学反应生成。

  原始细胞可能的样子

  那么,这三大部件最初是如何结合成一个原始细胞的呢?

  美国哈佛医学院的杰克·绍斯塔克在这方面取得了令人瞩目的进展。从2003年开始,他的团队制造了一批原始细胞,它们的外层由脂肪酸包围着,里面有可以自我复制的RNA。这种原始细胞在蒙脱土微粒的存在下形成得特别快。它们还可以分裂形成子细胞。

  这些原始细胞离真正的细胞还缺少一项功能:新陈代谢。在现代细胞中,新陈代谢是在大量酶的催化下完成的,而酶在生命伊始不可能存在。然而,其他研究人员找到了在缺酶的情况下也能让代谢反应进行的办法。事实证明,许多关键的反应不需要酶的参与,可以由铁、硫等元素的化合物来推动,而铁和硫在地球上一直很丰富。最近的研究表明,在紫外线的驱动下,能驱动代谢反应的铁和硫的原子团,还可以在原始细胞内形成。至于代谢反应是否能在原始细胞中发生,还有待研究。

  绍斯塔克的原始细胞是我们迄今对第一批生命可能是什么样子的最好范本。它们很简单,但有膜,有能自我复制的RNA,新陈代谢也可能发生(这一点有待证实)。

  生命可能的起源地

  如果核心部件“一起出现”的设想是正确的,那么生命的“创世纪”应该是在特定条件下发生的。那可能是怎样一种环境呢?

  利用甲酰胺或氰胺制造生命核心部件的大部分反应都依赖紫外线,一些关键步骤需要干燥。这意味着,作为开始,生命需要一个固体矿物的表面,理想情况下包括粘土(如蒙脱土)、阳光与适量的紫外线辐射,以及足够高的温度,可以定期蒸发水分。

  这似乎排除了一种流行的观点,即生命起源于深海的热液喷口。相反,生命可能起源于陆地上富含化学物质的水池,甚至可能是蓄水的陨石坑,或者火山环境中的地热池。例如,已经证明,脂类可以在地热池中形成类似细胞的泡,但在海水中却不能。

  除了有助于锁定地球上的生命起源地之外,“一起出现”假说还为在太阳系其他地方寻找生命提供了建议。生物化学的要求排除了目前最有希望的两个候选者:木卫二和土卫二。这两颗卫星都被认为冰层下有深海。但前面说了,海洋或许对于维持生命是有用的,但不是生命起源的理想之地。相反,最有可能找到生命(或者至少是生命曾经存在过的证据)的地方,是火星。尽管今天,它很冷,表面缺乏液态水,但在数十亿年前,它的岩石上可能有水流过。它上面还曾经活跃着火山,所以可能有地热池。

  当然,这一切都取决于“一起出现”假说是否正确。这一假说虽然赢得了许多人的青睐,但仍有一些谜团未解。不管怎么说,它带给我们一个新的有益的启示。

  拓展阅读: 生命外源说可以休矣!

  少数科学家认为,生命不是从地球开始的,而是始于宇宙的其他地方,并由流星和其他太空天体带到地球的。它在宇宙中的起源地可能是地球附近的某个地方,比如火星,或者几光年之外。这个假说被称为“生命外源说”。

  对于这个假说,我们可以做如下的反驳:

  首先,我们目前还没有在其他地方找到生命存在的证据。如果外源说是对的,那么细菌不仅会从太空降落到地球上,在邻近的星球,如月球,也会留下它们的遗迹。但没有证据表明有细菌进入月球,月球岩石是无菌的。

  此外,太空对生命是不友好的。在国际空间站外的实验表明,细菌即使暴露一年,也会造成严重的损失。从火星到地球至少需要几个月;从其他恒星系旅行到太阳系,则要花上千年时间。生命在环境如此险恶的太空中漫游,最后在地球上找到乐土,似乎是极不可能的。

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